化工原理课程设计列管式换热器设计示例

列管式换热器设计说明书

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列管式换热器设计说明书

目录

一、方案简介································································3

二、方案设计································································4

1、确定设计方案·····························································4

2、确定物性数据·····························································4

3、计算总传热系数···························································4

4、计算传热面积·····························································5

5、工艺结构尺寸·····························································5

6、换热器核算·······························································7

三、设计结果一览表··························································10

四、对设计的评述····························································11

五、附图（主体设备设计条件图）（详情参见图纸）·································

六、参考文献································································12

七、主要符号说明····························································12

附图··········································································

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一、方案简介

本设计任务是利用冷流体（水）给硝基苯降温。利用热传递过程中对流传热原则，制成换热器，以供生产需要。下图（图1）是工业生产中用到的列管式换热器.

选择换热器时,要遵循经济,传热效果优,方便清洗,复合实际需要等原则。换热器分为几大类：夹套式换热器，沉浸式蛇管换热器，喷淋式换热器，套管式换热器，螺旋板式换热器，板翅式换热器，热管式换热器，列管式换热器等。不同的换热器适用于不同的场合。而列管式换热器在生产中被广泛利用。它的结构简单、坚固、制造较容易、处理能力大、适应性大、操作弹性较大。尤其在高压、高温和大型装置中使用更为普遍。所以首选列管式换热器作为设计基础。 二、方案设计

某厂在生产过程中，需将硝基苯液体从93℃冷却到50℃。处理能力为1×105吨/年。冷却介质采用自来水，入口温度27℃，出口温度37℃。要求换热器的管程和壳程的压降不大于10kPa。试设计能完成上述任务的列管式换热器。（每年按300天，每天24小时连续运行）

1．确定设计方案

出口水温是可以自行改动的。一年的工作日一般（1）选择换热器的类型

冷却水温差最好在5～10℃ 300～340天。可以自行两流体温度变化情况： 选定。 热流体进口温度93℃，出口温度50℃冷流体。 冷流体进口温度27℃，出口温度37℃。 从两流体温度来看，估计换热器的管壁温度和壳体壁温之差不会很大，因此初步确定选用固定管板式换热器。

（2）流动空间及流速的确定 流程安排说理要充分。 由于硝基苯的粘度比水的大，因此冷却水走管程，硝基苯走壳程。另外，这样的选择可以使硝基苯通过壳体壁面向空气中散热，提高冷却效果。同时，在此选择逆流。选用ф25×2.5的碳钢管，管内流速取ui=0.5m/ｓ。

管内流体流态最好完全2、确定物性数据 湍流。Re>10000，d=0.02，定性温度：可取流体进口温度的平均值。 μ=0.001，ρ=1000，故93＋50T＝＝71.5℃2壳程硝基苯的定性温度为：

t＝管程流体的定性温度为：

ui≥0.5m/ｓ 27＋37＝32℃2

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根据定性温度，分别查取壳程和管程流体的有关物性数据。 硝基苯在71.5℃下的有关物性数据如下： 密度 ρo=1154 kg/m3

定压比热容 cpo=1.558kJ/(kg·℃)

导热系数 λo=418.4×30.9×10-5＝0.129 W/(m·℃) 粘度 μo=0.000979 Pa·s

冷却水在32℃下的物性数据：

冷却水的定性温度，会随前面密度 ρi=994.3kg/m3

的出口温度变化而变化 定压比热容 cpi=4.24 kJ/(kg·℃)

导热系数 λi=0.618 W/(m·℃) 粘度 μi=0.000818 Pa·s

3．计算总传热系数 （1）热流量

Wo=1×105×1000÷300÷24≈13889kg/h

Qo=WocpoΔto=13889×1.558×(93-50)=930479.7 kJ/h=258.5 kW （2）平均传热温差

?t'm??t1??t2(93?37)?(50?27)??37.1℃?t93?37lnln150?27?t2

注意?t'm的计算。特别是各个温度在公式中的位置。最好绘制计算草图。 （3）冷却水用量

Wi?QO930479.7??21945.3kg/hcpi?ti4.24?（37?27）

（4）总传热系数K 管程传热系数

Re?diuipi?i?0.02?0.5?994.3?121150.000818

?idiuipi0.8cpi?i0.4?i?0.023（）（）di?i?i0.6184.24?103?0.0008180.40.8?0.023??12115?（）0.020.618

此处可以直接假设K值是多少，无需做复杂的运算。 ?2618.2W（/m?℃）

（5）壳程传热系数

假设壳程的传热系数αo=290 W/(m2·℃)；

污垢热阻Rsi=0.000344 m2·℃/W , Rso=0.000172 m2·℃/W 管壁的导热系数λ=45 W/(m·℃)

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K?1dodbd1＋Rio＋o＋Rso＋?ididi?dm?o

0.0250.0250.0025?0.0251＋0.000344?＋＋0.000712＋2618.2?0.0200.02045?0.0225290 ?400W（/m?℃）

4、计算传热面积

?1Q285.5?103S???19.24m2K?tm400?37.1 ''注意后面的校核，分别针对K值/裕度。 2

考虑 15％的面积裕度，S=1.15×S''=1.15×19.24=22.12m 5、工艺结构尺寸

（1）管径和管内流速及管长

选用ф25×2.5传热管(碳钢)，取管内流速ui=0.5m/s，选用管长为3m。 （2）管程数和传热管数

依据传热管内径和流速确定单程传热管数

Ns?A实?dol?22.12?94根3.14?0.025?3

按单程管计算其流速为

管长是受限制的，1.0/1.5/2.0/3.0/6.0m。经过一般初算后，基本可以确认管长。 u?Wi（/3600?994.3）21945.3/(3600?994.3)??0.21m/s管内流速大于22?dins3.14?0.02?940.5m/S为佳。接近44 0.5m/s也可。 ui0.5??2u0.21 (管程)

按单管程设计，流速过小，宜采用多管程结构。则该换热器管程数为

Np?传热管总根数 N=94 (根)

（3）平均传热温差校正及壳程数 平均传热温差校正系数

R?

93?3756??2.4350?2723 50?2723??0.4193?3756

P?按单壳程，双管程结构，温差校正系数应查有关图表。可得平均传热温差

'?tm???t??tm?0.90?37.1?33.39℃??t?0.90

（4）传热管排列和分程方法

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